Электроника в вопросах и ответах - И. Хабловски

Генераторы в зависимости от формы генерируемого колебания могут быть разделены на две основные группы. Различают генераторы синусоидальных и несинусондальных колебаний (например, прямоугольных, треугольных колебаний и т. п.). Последние известны под названием релаксационных генераторов.

Какими параметрами характеризуется генератор?

К наиболее важным параметрам генератора относятся частота, ее стабильность, форма генерируемого колебания, мощность колебаний. Иногда имеет значение диапазон перестройки генератора. Не все параметры одинаково важны; значение каждого из них зависит от применения генератора. Например, генератор, задающий несущую частоту радиопередатчика, является генератором малой мощности, но с высокой стабильностью. В свою очередь генератор, предназначенный для нагрева, например, индуктивной или электрической печи, обычно имеет большую мощность, около 10–20 кВт, но требования к стабильности в этом случае невысокие.

Как можно разделить генераторы синусоидальных колебаний?

Принципиальный критерий — вид электрического контура, определяющего частоту колебаний. Существуют генераторы с LC- и RС-элементами, а также электромеханические генераторы. В зависимости от механизма возникновения колебаний и цепи ОС генераторы подразделяются на генераторы с внешней и внутренней ОС, т. е. с использованием отрицательного сопротивления некоторых активных элементов, например тетрода или туннельного диода.

Последние применяют относительно редко. В зависимости от вида используемого активного элемента генераторы делятся на ламповые и транзисторные.

Как действует простейший генератор на резонансном контуре?

Простейшим генератором является сам контур, состоящий из индуктивности L и емкости С и не взаимодействующий непосредственно с активным элементом. В LC-контурах при соответствующих условиях могут возникать свободные собственные колебания, осцилляции. Основой работы генератора такого типа является эффект накопления энергии резонансным контуром.

Рассмотрим резонансный (колебательный) контур, представленный на рис. 10.1, а. Предположим, что конденсатор С заряжен до напряжения батареи Б. Допустим, что конденсатор разряжается через катушку индуктивности после размыкания ключа К1 и замыкания ключа К2. При разряде конденсатора через катушку энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. В результате явления самоиндукции в катушке возникает электродвижущая сила, которая поддерживает ток в контуре и перезаряжает конденсатор. В свою очередь конденсатор снова разряжается через катушку, и процесс повторяется сначала. Если бы контур был идеальным (без потерь), колебания в контуре имели бы чисто синусоидальную форму и длились бы бесконечно долго.

В действительности катушка выполнена из провода и имеет некоторое сопротивление потерь R. Это сопротивление при протекании тока вызывает потерю мощности. Иначе говоря, часть электрической энергии контура преобразуется в резисторе в тепловую энергию и не может быть использована другим способом. Поскольку в процессе каждой разрядки часть энергии теряется, конденсатор уже не может зарядиться до первоначального напряжения. В результате заряд, а отсюда и максимальное напряжение на конденсаторе уменьшаются с каждым периодом. Поэтому в контуре возникают колебания в виде затухающей синусоиды (рис. 10.1, б). Когда вся подведенная к контуру энергия преобразуется в резисторе в тепловую энергию, колебания прекращаются.

Частота колебаний в контуре в первом приближении равна его резонансной частоте f = 2π√(L·C). Амплитуда колебаний зависит от энергии, подведенной вначале к контуру, а скорость убывания (затухания) — от сопротивления потерь в контуре.

Рис. 10.1. Колебательный контур (а) и форма затухающих колебаний (б)

Как действует LC-генератор с внешней ОС?

В LC-генераторах всегда используются свойства параллельного резонансного контура, в котором при соответствующих условиях могут возникнуть затухающие колебания. Явление затухания, вызванное сопротивлением в контуре, возникают уже в первом периоде работы, как только через катушку начинает протекать ток. Поэтому амплитуда напряжения во втором периоде уже меньше, чем начальная амплитуда.

Для получения постоянной амплитуды колебаний (или поддержания незатухающих колебаний в контуре) необходимо в каждый период пополнять энергию, теряемую в контуре, от внешнего источника питания с помощью усилителя с ПОС.

Ко входу усилителя, взаимодействующего в составе генератора, подводится часть сигнала, действующего в резонансном контуре. Полярность этого сигнала должна быть подобрана таким образом, чтобы выходной сигнал усилителя был в фазе с сигналом в резонансном контуре. Усиленное напряжение подводится непосредственно к резонансному контуру. Усилитель должен поставлять энергию в контур только в течение небольшой части периода. Эту задачу лучше всего выполняет усилитель класса С. Во время коротких периодов проводимости активного элемента протекающий через усилитель ток дает энергию, обеспечивающую требуемые условия работы контура. Легко видеть, что усилитель (транзистор) действует как ключ, автоматически размыкаемый и замыкаемый генерируемым напряжением.

Как уже указывалось в гл. 8, ПОС должна быть такой, чтобы удовлетворялось условие баланса амплитуд. Следует добавить, что переход к работе в классе С должен происходить автоматически с помощью RС-цепи во входной цепи, для того чтобы было возможно самовозбуждение колебаний.

Что такое генератор с индуктивной ОС?

Принципиальная схема генератора с индуктивной ОС показана на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Принципиальная схема генератора с индуктивной ОС

Характерной особенностью этого генератора являются две катушки, из которых одна совместное подключенным параллельно конденсатором образует колебательный контур. Конденсатор может быть подключен к катушке в цепи базы либо в цепи коллектора. Вторая катушка является катушкой связи, ее задача состоит в передаче части энергии с выхода на вход схемы. Обратная связь в схеме должна быть положительной. Будет ли ОС положительной, зависит от относительного направления навивки катушек. В общем можно принять, что если катушки навиты в одном направлении, то одна из них должна иметь обращенные концы. Степень ОС зависит от взаимной индуктивности М между катушками. Рост M, а следовательно, и коэффициента связи χ вызывает увеличение ОС.

При подведении к схеме напряжения питания начинает заряжаться конденсатор резонансного контура и в схеме возникают колебания. После возбуждения колебаний схема автоматически переходит в режим работы в классе С.

Работу в классе С обеспечивает схема динамического смещения базы, содержащая резистор R1 и конденсатор С1. Если амплитуда колебаний возрастает, то увеличивается постоянное напряжение на конденсаторе С1 и уменьшается в последующих периодах угол (время) протекания тока коллектора. Генератор работает в установившемся режиме, если потери в контуре уравновешиваются выходной мощностью переменного тока в транзисторе. Потери в рассматриваемой схеме включают в себя потери в транзисторе, катушке в цепи коллектора, резонансном контуре и ограничивающем сопротивлении. Последним является эмиттерный резистор, который ограничивает до безопасного значения ток в первый момент после включения схемы.

Схема дополнительного смещения базы стабилизирует выходное напряжение генератора. Частота колебании в генераторе с индуктивной ОС близка к резонансной частоте контура и может изменяться путем изменения емкости конденсатора. Процесс изменения частоты колебаний путем изменения значений элементов контура называется перестройкой генератора. Выходное напряжение генератора обычно снижается посредством конденсатора связи, подключенного к коллектору транзистора, либо третьей обмотки трансформатора.

Каковы схемные варианты генератора с индуктивной ОС?

Существует много схемных разновидностей генератора с индуктивной ОС, отличающихся размещением резонансного контура, способом питания, схемой работы активного элемента, самим активным элементом и т. п